早期工程的标准化：蒸汽锅炉、螺纹和钢轨

蒸汽锅炉、螺纹和钢轨，是19世纪经由工程和技术协会实现工业标准化的三个早期案例，这表明了工程师们对提供民间制定标准的渴求，以及行业、政府和公众对此类标准的需求。

工程师和技术专家最早公开通过其所在协会来制定标准的努力涉及蒸汽锅炉的安全。在美国，富兰克林学会率先树立起其卓越的专业声誉，部分原因是它在19世纪30年代对蒸汽锅炉爆炸的研究。内河船只上蒸汽锅炉爆炸所造成的船员和乘客大量伤亡情况会被广泛报道，令人毛骨悚然。富兰克林学会的一些成员受到“对有用服务的渴望”的驱使，决定对此类爆炸的原因展开调查。[1]与此同时，美国政府迫于公众压力，向财政部部长塞缪尔·英厄姆（Samuel D. Ingham）提供资金，以进行此类调查。在搜集与问题有关的信息方面进行了一些初步、相对不成功的努力之后，英厄姆资助富兰克林学会进行研究，允许它在搜集现有信息的同时也进行实验工作。富兰克林学会组织起自身，设立了一个发明委员会来进行特别调查，该委员会还可以在需要时自行设立更多的特别委员会。负责蒸汽锅炉爆炸研究的特别委员会纳入了科学家、工程师和实业家。这项研究的报告于1836年发布，建议在蒸汽锅炉的设计、材料、建造和维护方面制定标准和监管立法，以提高蒸汽轮船的安全性；美国政府又花了十四年的时间推动基于该建议的立法，在经历数次失败和半途而废之后，最终于1852年将其正式立法，极大提升了内河船只的安全性。[2]

几十年后的1884年，德国工程师协会（VDI）仿效美国，发布了其第一个用于蒸汽锅炉钢板厚度的“指南”（Richtlinie）或标准。[3]尽管这两种蒸汽锅炉标准都是由民间技术专家组织设计的，但是它们都意在并最终成为各自国家的法定强制性安全标准。

下一个，也是标志性的工业标准制定案例——螺纹。这是一项自愿性标准，从来没有打算立法。螺纹是20世纪诸多标准制定组织的第一个技术委员会的重点，它也提供了一个非常早期的受到19世纪工程和技术协会支持的重要标准化案例，尽管这一标准不是由这些协会创建的。拥有一个标准的螺纹系统可以实现互用性（interoperability），这样一个机器车间制造出来的螺钉可以用来替代另一个机器车间丢失的螺钉。在英国和美国，都是一个工程或技术协会提供支持，这使得大量机械师自愿采用螺纹标准。

确定一套标准螺纹的想法是在英国被首次提出的。1841年，英国维多利亚时代顶尖机械工程师之一约瑟夫·惠特沃斯（Joseph Whitworth）在土木工程师学会（ICE）的一次会议上发表了一篇论文《论一种统一的螺纹系统》（On a Uniform System of Screw Threads）。[4]在这篇论文中，他提出了一套系统，是在检测从英国许多车间收集的螺栓的已有螺纹基础上，设计出一个在横截面和每英寸螺纹数方面尽可能接近平均值的螺纹规格。这一方法表明，他不是在寻求最佳的技术解决方案，而是在寻找一种能被所有人接受的解决方案，因为他看出店主和客户都会从标准中受益。他自己的商店和其他一些商店已经采用了他提出的系统。土木工程师学会没有制定或正式认可这一标准体系，但惠特沃斯在土木工程师学会的介绍将其推广到了更加广泛的领域。到1858年，该体系获得了广泛的应用，所以他声称，尽管有些夸张，但该体系已在英国被“普遍采用”。[5]

数年后，美国一位著名的机械工程师和机床制造商威廉·塞勒斯（William Sellers）开发了一种不同的螺纹模型，其横截面比惠特沃斯螺纹更容易由技能水平不高的工人制造。在《科学美国人》（Scientific American）于1863年呼吁美国机械厂对螺纹进行标准化后，时任富兰克林学会主席的塞勒斯在那里就其推荐的美国标准发表了演讲。[6]由于富兰克林学会在制定蒸汽锅炉标准方面享有盛誉，它对塞勒斯螺纹标准（后来常被称为富兰克林学会标准）的公开支持产生了巨大的影响，说服了许多美国工程师，包括宾夕法尼亚铁路公司和两个铁路行业协会（车厢制造大师协会和机械工程师协会）的工程师，美国海军也将采用这一系统作为其标准。虽然改用新标准涉及制造另一种类型的螺钉工厂的初始成本，并且可能会加剧制造替代性螺钉厂商之间的价格竞争，但这显然对客户有利（尤其是像铁路这样的大型客户），它还为供应商拓宽了潜在的替代性市场。[7]它在美国的应用与惠特沃斯螺钉在英国的应用类似，广泛到足以夸张地声称其通用性，但还不足以消除互用性的问题。螺纹兼容性问题对于标准制定者来说是一个长期存在的问题，如第四章所示，在20世纪的世界大战期间，盟国之间将会再次出现这一问题。

第三个，也是更复杂的，是美国经由各个工程协会对美国铁路轨道上所使用钢轨的性能标准进行标准化的例子。与上述两例的不同之处在于，在这一案例中，由工程师委员会所创的自愿性标准的制定过程更加开放，在一些情况下，许多工程协会都拥护将其作为标准。并且，多个工程协会在19世纪70年代、80年代和90年代的拟议过程中发挥了积极的作用。

第一个阶段是还没有实现标准化。在19世纪60年代末70年代初，铁路首次用钢轨代替了铁轨，这一替代预计可以大大延长轨道的使用寿命。但是到了70年代中期，铁路部门开始质疑它们的寿命和性能。许多铁路工程师都是美国土木工程师学会（ASCE）的成员，该学会是美国第一个以专业为导向的工程师学会。他们主导了一个研究“钢轨形状、重量、制造和寿命”的ASCE委员会，该委员会成立的目的是调查铁路管理者对不同载重量下钢轨性能表现的看法。[8]尽管该委员会既没有对钢轨进行测试，也没有试图为其制定标准，但它发布了一系列报告，表明铁路管理者目前认为钢轨仅仅是在耐用性方面略优于铁轨。该委员会还建议，铁路部门需要的是在形状上更具耐用性的轨道，而不是采用钢铁制造商提供的易于制造但在形状上却不太耐用的钢轨。

与此同时，钢铁制造商转而求助于一个不同的、更具行业导向的工程机构——美国矿业工程师协会（AIME），与其探讨如何确保钢比铁更加耐用，以证明较高的价格是合理的。[9]在解决硬度问题时，冶金工程师和钢铁制造商希望对具有长期耐用性的钢轨进行物理测试（例如，弯曲所需的力）和化学成分规定。[10]因此，铁路公司和其钢铁制造供应商都向羽翼未丰的工程机构寻求帮助，以解决轨道的耐用性问题；但它们通常都是独立开展此项工作，与不同的机构合作，而不是通过彼此合作来寻找解决问题的方案。[11]

查尔斯·达德利是钢铁制造商与美国矿业工程师协会、铁路公司与美国土木工程师学会这种结盟形式的一个例外，他于1875年成为宾夕法尼亚铁路公司的首席化学家，下一节将会述及他在建立最早的民间标准化机构之一——美国材料试验协会（ASTM）中的关键作用（图1.1）。[12]达德利年轻时曾参加过美国南北战争，腿部受伤严重，差点截肢，一生跛行。战后，他重返校园，通过在《纽黑文守护神报》（New Haven Palladium）担任夜间编辑赚取学费，并最终获得耶鲁大学谢菲尔德科学院化学博士学位。[13]他在一家铁路公司建立了第一个化学实验室，研究铁路所用材料——从钢轨到用来擦洗火车车厢的肥皂——在化学方面的表现情况。在他的职业生涯中，他曾加入一系列的科学和工程协会；他在美国矿业工程师协会（AIME）和其他工程组织[美国土木工程师学会（ASCE）、美国机械工程师协会（ASME）和美国电气工程师学会（AIEE）]中的活跃成员身份表明，他拥有工程师和科学家的双重身份。[14]

达德利坚信应对化学分析方法进行标准化，以便为铁路公司采购的材料制定标准规格。从1878年开始，他在《美国矿业工程师协会汇刊》（Transactions of the AIME）上发表了一系列关于钢轨化学成分与其磨损之间关系的论文，推荐了一种化学配方来制造最坚硬的钢轨。[15]这些论文引起了相当大的争议，AIME的钢铁制造商对他的发现，以及铁路公司应对钢铁制造商实施化学标准而不是简单的性能标准的观点提出了疑问。尽管如此，卡内基钢铁公司的钢铁大王威廉·琼斯（William R. Jones）指出：“虽然达德利博士可能错了，我相信他只是部分正确，但他毕竟是第一个努力建立这种配方的人，因此有资格获得钢铁制造商的感谢。”[16]虽然进一步的研究使达德利在几年后放弃了这一特定的配方，但他显然收获了美国矿业工程师协会（由钢铁制造商主导的专业协会）大多数成员的尊重和善意，因为他在1880年至1882年被任命为该组织的副主席。他将会在19世纪和20世纪之交再次出现在我们的故事中。然而，在19世纪80年代早期，让生产者和购买者就轨道标准达成一致似乎不太可能。

尽管钢铁制造商和铁路公司的立场不同，但到19世纪80年代末，轨道的供应商和采购商都已准备好承认钢轨标准的潜在价值；事实上，卡内基钢铁公司的琼斯在1889年的美国土木工程师学会（ASCE）会议上告诉与会人员，专注于几种钢轨形状也将有助于钢铁公司的运营。[17]咨询工程师和钢轨检查员（他们被铁路公司雇用进入钢厂，以确保钢轨是按照规范进行制造，因此他们非常熟悉铁路公司的需求以及钢厂的流程）开始在钢铁公司和铁路公司之间就这个问题进行调解。1889年，其中一个叫罗伯特·亨特（Robert Hunt）的人，同意担任ASCE标准轨道部门委员会的秘书。[18]一名土木工程师担任该委员会主席，他曾在建造各种铁路吊桥时担任咨询工程师，委员会成员还包括铁路工程师和咨询土木工程师，其中许多咨询土木工程师在其职业生涯的某个阶段都具有铁路建设经验。1893年，该委员会发布了一份报告，提出了不同重量的铁路区段，并就制造工艺提供了建议。该报告指出，“在决定一系列区段时，委员会考虑了钢轨制造的细节，同时寻求最大限度满足各种不同运输需求的设计”，这就同时考虑了制造商和钢轨用户的主张。[19]

1895年，委员会在规范中增加了化学准则和一项物理测试，进一步反映了钢铁制造商的愿望。同年，亨特秘书向美国矿业工程师协会（AIME）成员介绍了美国土木工程师学会（ASCE）委员会的流程，他将其描述为“诚实而认真地努力征求该国主要铁路工程师的意见，协调分歧，并设计出一系列符合他们经验且被普遍接受的铁路区段”。此外，正如他所指出的那样，“同时需要与钢铁制造商进行沟通，以求拟建区段（的钢轨）在制造过程中不会出现特殊的困难”。[20]他接着赞扬了这一进程的成功结果：标准被广泛采用，尽管这不是官方的，而是自愿性的。

虽然美国土木工程师学会的章程阻止该学会正式采用委员会推荐的铁路区段作为其自身的[标准]，但它们已被普遍认可和接受；而且，更棒的是，它们已经被全国的铁路广泛采用，并有望很快成为绝对标准的美国路段。

虽然委员会成员主要是正在为铁路公司工作的工程师，或者曾经为铁路公司工作的工程师，但他们中的许多人也了解钢铁公司的流程和需求，报告的结论体现了生产商和消费者双方的需求。[21]这种对生产者和消费者需求的共同关注将成为民间标准制定的标志。

这三个早期工业标准化的尝试通过技术和专业组织解决了安全性（蒸汽锅炉）、互用性（螺纹）和性能（钢轨）标准问题，它们一方面反映了工程师基于科学原则进行标准化的信念，另一方面也反映了他们希望通过为公共利益做出贡献来展示“社会福利”，从而加强他们的专业地位。[22]

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[1]Bruce Sinclair,Early Research at the Franklin Institute:The Investigation into the Causes of Steam Boiler Explosions,1830-1837(Philadelphia:Franklin Institute, 1966), 6-7, quote on page 2.

[2]Bruce Sinclair, “At the Turn of a Screw: William Sellers, the Franklin Institute, and a Standard American Thread,”Technology and Culture 10, no.1 (1969):27-31;Sinclair,Early Research,4,9,11.

[3]VDI-Rechtlininien-Katalog/VDI Standards Catalogue(Berlin:Beuth,2015),8.

[4]引自 A. E. Musson, “Joseph Whitworth and the Growth of Mass-Production Engineering,”Business History 17,no.2(1975):109-149。

[5]Musson, “Joseph Whitworth,” 122.

[6]Sinclair, “Turn of a Screw.”

[7]Philip Scranton, Endless Novelty: Specialty Production and American Industrialization,1865-1925(Princeton,NJ:Princeton University Press,1997), 63-64. 斯克兰顿强调了标准化的力量和成本意义，以及对标准化的阻力。但他和辛克莱在《螺丝的转动》一书中没有提供关于塞勒斯螺纹标准被采用程度的实证数据。

[8]关于ASCE的专业定位，参见 Layton, The Revolt, 29-30。关于铁路工程师对ASCE的控制，参见Steven W.Usselman,Regulating Railroad Innovation:Business, Technology, and Politics in America, 1840-1920 (Cambridge:Cambridge University Press, 2002), 217-218。引用的描述这段研究的短语来自Ashbel Welch的三篇文章（乌塞尔曼引用），标题都是“On the Form, Weight, Manufacture, and Life of Rails,” 发表在the Transactions of the ASCE, vol. 3 (June 10, 1874), 87-110); vol. 4 (May 5, 1875), 136-141; 以及vol. 5 (June 15, 1876), 327-329。这些文章报告了委员会的调查和审议结果。

[9]Layton,The Revolt,29,48n21.

[10]Usselman,Regulating Railroad Innovation,219-220.

[11]Usselman,Regulating Railroad Innovation,215-216,220-221.

[12]除非另有说明，传记细节来自 Edgar Marburg, “Biographical Sketch,” in Memorial Volume Commemorative of the Life and Work of Charles Benjamin Dudley, Ph.D., ed. American Society for Testing Materials (Philadelphia:American Society for Testing Materials, [1910]), 11-42。

[13]Yale University, “Obituary Record of Graduates of Yale University Deceased during the Academical Year Ending in June, 1910, Including the Record of a Few Who Died Previously, Hitherto Unreported,” no. 10 of the Fifth Printed Series and no. 69 of the Whole Record (Presented at the Meeting of the Alumni, June 21, 1910), accessed August 21, 2017, http://mssa.library.yale.edu/obituary_record/1859_1924/1909-10.pdf; “ACS President: Charles B. Dudley (1842-1909),” American Chemical Society, accessed July 17, 2017, https://www.acs.org/content/acs/en/about/president/acspresidents/charles-dudley.html.

[14]完整名单请参阅“Statistical Data” and “Offices and Honors Held by Charles B. Dudley,”in ASTM,Memorial Volume Commemorative of Dudley,113-115。美国化学工程师学会直到1908年，也就是达德利去世的前一年才成立，所以我们不清楚他是否与这个专业组织有联系。他是美国化学科学学会的成员，并于1886年到1898年期间担任美国化学科学学会主席一职。

[15]参见达德利的自传,PhD,in ASTM,Memorial Volume Commemorative of Dudley,116-117，他发表的作品的清单。他发表于Transactions of the AIME, vol. 7, 1878的两篇论文 “The Chemical Composition and Physical Properties of Steel Rails” (172-201) 和 “Does the Wearing Power of Steel Rails Increase with the Hardness of the Steel” (202-205), 引发了一场关于什么使钢的耐磨性更好的争论。后来他放弃了他在那些论文中的主张，但这些主张在这一领域的研究中发挥了重要作用。关于这一内容的讨论，参见 Marburg, “Biographical Sketch,”22-24;以及Usselman,Regulating Railroad Innovation,221-223。

[16]引用自 Marburg, “Biographical Sketch,” 23, 来源不明。

[17]威廉·琼斯对ASCE车轮磨损委员会的最终报告发表评论,Transactions of the ASCE 21 (July-December 1889): 279-280, 引自 Usselman, Regulating Railroad Innovation,232。

[18]Usselman,Regulating Railroad Innovation,230-232.

[19]Transactions of the ASCE 28(1893):425-444,引自第426页。

[20]Robert W. Hunt, “Specification for Steel Rails of Heavy Sections Manufactured West of the Alleghenies,”Transactions of the AIME 25(February-October 1895):654; 随后的引用出自同一页。

[21]历史学家史蒂文·乌塞尔曼（Steven Usselman）也指出，“这些委员会报告中包含的铁路部分和制造指南迅速获得了行业标准的地位”。Usselman, Regulating Railroad Innovation,232.

[22]Samuel Haber, Authority and Honor in the American Professions, 1750-1900 (Chicago: University of Chicago Press, 1991), 294-300.